Увеличьте плотность интеграции печатной платы путем заполнения глухих микроотверстий и сквозных отверстий методом электролитического осаждения меди.
Прогрессивная миниатюризация электронных схем все чаще требует использования плат HDI с заполненными медью глухими микроотверстиями. Недавно разработанный медный электролит, который в настоящее время проходит испытания в производственных условиях, позволяет бездефектно заполнять глухие микроотверстия с небольшой толщиной медного слоя на поверхности платы. Медный электролит, находящийся в настоящее время в разработке, должен также обеспечить надежное заполнение сквозных отверстий в будущем — текущая разработка уже показывает многообещающие результаты.
Заполнение глухих микроотверстий и сквозных отверстий
Повышение плотности компоновки печатных плат путем заполнения глухих микроотверстий и сквозных отверстий электроосаждением меди.
Растущая миниатюризация электронных схем делает использование HDI Печатные платы (Печатные платы HDI) с заполненными медью глухими микроотверстиями, все более востребованными. Недавно разработанный медный электролит, который в настоящее время проходит испытания в условиях, имитирующих производственные, позволит бездефектно заполнять глухие микроотверстия, в то же время позволяя уменьшить толщину медного осадка на поверхности платы. Это обеспечивает более эффективное использование материалов и, таким образом, снижение стоимости производства печатных плат. Другой медный электролит, который сейчас разрабатывается, обещает обеспечить надежное заполнение сквозных отверстий.
Введение 1
В микроэлектронике по-прежнему наблюдается тенденция к миниатюризации, то есть к более мелким и мощным системам, которые также должны быть менее дорогими, чем предыдущие системы. Наиболее известными примерами этого являются смартфоны и планшетные ПК, производительность которых, несмотря на тот же или даже меньший размер устройства, значительно возросла за последние годы.
Печатные платы HDI (HDI: High-Density Interconnect) вносят значительный вклад в миниатюризацию. Для электрического соединения отдельных слоев печатной платы вместо сквозных отверстий используются экономящие место глухие отверстия (blind microvias). Плотность интеграции может быть дополнительно увеличена путем заполнения глухих микроотверстий электролитически осажденной медью (blind microvia filling). Между тем, использование печатных плат HDI больше не ограничивается мобильной электроникой, а все чаще используется и в других приложениях, например, в автомобильном секторе.
Недавно разработанный электролит, который при заполнении слепых микроотверстий наносит слой меди очень небольшой толщины по сравнению с предыдущим поколением электролитов, обеспечивает ресурсо-, энерго- и экономичное производство печатных плат HDI.
Поскольку плотность интеграции печатных плат HDI может быть увеличена еще больше за счет использования очень тонких основных материалов, в настоящее время усиливается разработка электролитов для заполнения сквозных отверстий (англ.: Through Hole Filling). Представлены результаты разработок в этой области.
2 Миниатюризация в области микроэлектроники
Наиболее известными представителями прогрессивной миниатюризации в микроэлектронике являются очень мощные мобильные устройства, такие как смартфоны и планшеты. Высокие и постоянно растущие показатели продаж отражают большую привлекательность этих устройств. В 2013 году впервые было продано более 1 миллиарда смартфонов, в 1.2 году ожидается продажа около 2014 миллиарда, а в 1.8 году — около 2017 миллиарда [2]. В области планшетных ПК на 271 год прогнозируется продажа 2014 миллиона устройств, что соответствует росту почти на 40% по сравнению с предыдущим годом [3].
Они устанавливаются в процессорах с очень маленькими размерами корпуса и очень большим количеством все более сетчатых соединений. Нижняя часть процессора имеет 976 соединений на площади чуть менее 2 см², что соответствует примерно пяти соединениям на квадратный миллиметр. Шаг соединений составляет всего 400 мкм.
3 Миниатюризация в области печатных плат
Для экономящего место и надежного электрического соединения процессоров с чрезвычайно высокой плотностью соединений требуются печатные платы с соответственно высокой плотностью интеграции. Однако классическая многослойная печатная плата для этого не подходит, поскольку она использует сквозные отверстия для электрического соединения отдельных слоев печатной платы. Они имеют относительно большой диаметр и, поскольку они сверлятся только после прессования отдельных слоев, они простираются на всю толщину печатной платы. Следствием этого является то, что даже при непосредственном соединении соседних слоев пространство над и под фактическим соединением теряется и, следовательно, не может быть использовано для других структур, например, проводящих дорожек. Получающаяся в результате низкая плотность интеграции многослойных печатных плат недостаточна для описанных выше требований.
Несколько лет назад было разработано новое, высокоинтегрированное поколение печатных плат, так называемая плата HDI, которая изначально использовалась в основном для производства мобильных телефонов. При изготовлении печатных плат HDI отдельные слои печатной платы наращиваются последовательно (SBU, Sequential Build Up). Электрическое соединение соседних позиций сборки осуществляется с помощью сверленных лазером глухих микроотверстий. На рисунке 2 схематически показана структура платы HDI 2-4-2, т. е. плата состоит из четырехслойного многослойного ядра и двух слоев с каждой стороны.
4 Слепой микроотверстие
По сравнению со сквозными отверстиями, глухие микроотверстия имеют меньшие диаметры в диапазоне от 50 мкм до 150 мкм и они простираются только в направлении z по толщине монтажной позиции (обычно от 50 мкм до 150 мкм). Они занимают только столько места, сколько фактически требуется для фактического соединения. Таким образом, печатные платы HDI имеют гораздо более высокую плотность интеграции, чем многослойные печатные платы, и поэтому подходят для разделения сигналов высокофункциональных электронных компонентов в наименьшем пространстве.
4.1 Заполнение слепых микроотверстий
Дальнейшее увеличение плотности интеграции позволяет использовать многослойные слепые микроотверстия (stacked blind microvias). Если для заполнения вместо токопроводящей пасты использовать электролитически осажденную медь, это приводит к следующим дополнительным преимуществам:
Повышенная надежность (слепые микроотверстия содержат только медь, дополнительный интерфейс отсутствует)
лучшее управление теплом (теплопотери могут рассеиваться через высокотеплопроводные, заполненные медью глухие микроотверстия)
Дальнейшее увеличение плотности интеграции (не требуется дополнительных контактных площадок (контактных площадок) на поверхности печатной платы для контакта с компонентами)
Основные этапы процесса изготовления плат HDI с глухими микроотверстиями, заполненными медью, схематически показаны на рисунке 4. Если необходимо нарастить еще один слой, последовательность процесса необходимо повторить заново, начиная с этапа 2.
Размещение заполненных медью глухих микроотверстий друг над другом означает, что даже несмежных позиций сборки можно соединить электропроводящим способом с минимальными требованиями к пространству (рис. 5). Использование конструкций pad-in-via или via-in-pad приводит к дальнейшему увеличению плотности интеграции, поскольку соединения компонентов можно припаять непосредственно к заполненным медью глухим микроотверстиям, так что никаких дополнительных поверхностей соединения не требуется (рис. 6).
4.2 Предыдущие электролиты для заполнения слепых микроотверстий
Обычно электролиты для заполнения слепых микроотверстий содержат относительно высокую концентрацию ионов меди в диапазоне от 40 г/л до 60 г/л в сочетании с низкой концентрацией серной кислоты в диапазоне от 10 мл/л до 50 мл/л, а также хлорид-ионы. Органические добавки электролита, необходимые для управления свойствами покрытия, различаются от специализированной компании к специализированной компании, но в основном в добавках электролита содержатся следующие три компонента:
Основная добавка (ингибитор)
Измельчитель зерна (активатор)
Выравниватель (ингибитор)
Кроме того, методы разных поставщиков могут также отличаться по следующим признакам:
Системная технология (стандартная вертикальная система, вертикальная непрерывная система, горизонтальная непрерывная система)
Тип анода (медный анод, нерастворимый анод)
Форма тока (постоянный ток, импульсный ток, обратный импульсный ток)
применимая плотность тока
Методы, ранее предложенные компанией Schlötter для заполнения слепых микроотверстий, работают исключительно с постоянным током в стандартных вертикальных системах или вертикальных непрерывных системах.
В первые годы заполнения глухих микроотверстий к стандартным требованиям к электролитически осаждаемым медным покрытиям для печатных плат (например, пластичность, надежность) предъявлялись следующие дополнительные требования:
бездефектное заполнение глухих микроотверстий без включений электролита
Минимальный уровень заполнения или максимально допустимое углубление (вмятина).
В процессе заполнения в глухом микроотверстии было осаждено 93 мкм меди (B), тогда как толщина слоя на поверхности составляет всего 22 мкм (C), что привело к следующим ключевым показателям:
Отпечаток (AB): 30.4 мкм
Степень наполнения (В/А): 75%
Распределение металла (B/C): 426%
Это обусловлено, прежде всего, принципом действия выравнивателя, при котором медь осаждается не на поверхности, а в глухих микроотверстиях, т.е. в областях с низкой плотностью тока и низким электролитным обменом.
Для достижения хорошего результата заполнения добавки электролита должны быть очень хорошо скоординированы. На рисунке 8а показана слепая микросвязь перед процессом заполнения, а также различные результаты, которые могут быть получены только путем изменения добавок электролита – при тех же других параметрах разделения (рис. 8b – e).
4.3 Новый электролит для заполнения слепых микроотверстий
Плотность интеграции печатных плат может быть увеличена еще больше за счет уменьшения ширины дорожек и расстояния между ними. Однако для травления таких тонких проводников толщина медного слоя на поверхности должна быть небольшой, поскольку в противном случае могут возникнуть серьезные подрезы и проблемы с сечением проводника.
Как показано на рисунке 4, толщина слоя меди может быть уменьшена после заполнения с помощью – возможно, повторного – утончения меди, но для этого необходимы дополнительные технологические этапы и системы. Кроме того, утончение меди, которая была ранее осаждена, частично удаляется, что оказывает негативное влияние на ресурсо-, энерго- и экономическую эффективность при производстве печатных плат. Чтобы полностью избежать – или, по крайней мере, уменьшить – утончение меди, в дополнение к уже упомянутым требованиям в последние годы было добавлено требование о нанесении минимально возможной толщины слоя меди в процессе заполнения.
50-70 мг/л хлорида
3–10 мл/л дополнительный слотокуп SF 31
0.2–1.0 мл/л дополнительный слотокуп SF 32
0.2–2.0 мл/л дополнительный слотокуп SF 33
Электролит работает при плотности тока не более 2 А/дм² в диапазоне температур от 18 °C до 22 °C.
По сравнению с предыдущим поколением электролитов толщина слоя меди, нанесенного на поверхность, может быть значительно уменьшена. Это показывает распределение металла, которое в показанном лабораторном тесте имеет чрезвычайно высокое значение более 2000% (рис. 9б).
В настоящее время Slotocoup SF 30 проходит испытания в сотрудничестве с тайваньским партнером Schlötter AGES в Центре разработки печатных плат в Тайбэе, открытом в 2012 году, в производственных условиях в вертикальной непрерывной системе объемом 7200 литров (рис. 10).
Углубление: 7.0 мкм
Степень наполнения: 91%
Распределение металла: 740%
На рисунке 11b показан еще один заполненный медью слепой микроотверстие, который получен из той же печатной платы, что и слепой микроотверстие на рисунке 11a. Примечательно, что, несмотря на неоптимальную геометрию BMV, результат заполнения очень хороший.
Slotocup SF 30 также обеспечивает бездефектное заполнение близко расположенных глухих микроотверстий при малой толщине слоя медных поверхностей. Рис. 12: Результаты испытаний Slotocoup SF 30 при заполнении близко расположенных глухих микроотверстий
Очень плоские глухие микроотверстия, которые получаются при использовании очень тонких диэлектриков, также можно заполнить новым электролитом без дефектов, но это приводит к несколько большей толщине медного слоя.
5 Заполнение сквозных отверстий
Дальнейшее увеличение плотности интеграции печатных плат HDI может быть достигнуто путем замены сравнительно толстых многослойных сердечников, которые использовались до сих пор, на значительно более тонкие сердечники толщиной от 100 мкм до 200 мкм.
Очень тонкие сердечники также могут иметь сквозные отверстия вместо глухих микропереходов. Раньше эти сквозные отверстия сначала заполнялись пастой после первого меднения, а затем снова меднились для изготовления контактных площадок. Кроме того, использование пасты может привести к проблемам с надежностью.
5.1 Новые электролиты для заполнения сквозных отверстий
Первоначально были предприняты попытки использовать медные электролиты, которые уже были опробованы и испытаны в заполнении слепых микроотверстий в области заполнения сквозных отверстий. Однако было показано, что эти электролиты не подходят для этого применения, поэтому потребовались дальнейшие разработки. Некоторые лабораторные результаты текущих разработок показаны на рисунке 16.
Изменяя состав электролита, удалось значительно улучшить заполнение сквозных отверстий (диаметр отверстия около 85 мкм / глубина отверстия около 110 мкм). Все четыре осаждения, показанные на рисунке 16, были выполнены на постоянном токе с одинаковым временем осаждения и плотностью тока. Кроме того, в течение всего периода осаждения осаждался только один электролит, т. е. в ходе осаждения не происходило никакой смены электролита.
С увеличением соотношения сторон, т. е. уменьшением диаметра скважины и/или увеличением глубины скважины, массоперенос и, следовательно, последующая доставка ионов меди затрудняются. В результате бездефектное заполнение сквозных отверстий без включений электролита становится все более трудным. На рисунке 17 показаны два результата заполнения непредварительно усиленных сквозных отверстий (диаметр скважины около 50 мкм / глубина скважины около 160 мкм).
Электролит, заключенный в дефекте (рис. 17а), расширяется при нагревании платы HDI и, следовательно, может привести к трещине в этом соединении уже при пайке компонентов или при последующем повышении температуры, что может привести к отказу системы. Поэтому в центре внимания текущих разработок находится надежное бездефектное заполнение сквозных отверстий с различными соотношениями сторон.
6 Заключение
Благодаря высокой плотности интеграции печатные платы HDI позволяют надежно разделить высокую плотность соединений этих микропроцессоров в минимальном пространстве.
Заполняя глухие микроотверстия электролитически осажденной медью, можно еще больше увеличить плотность интеграции печатных плат HDI. Недавно разработанный электролит Slotocoup SF 30, который в настоящее время проходит испытания на Тайване в производственных условиях, обеспечивает бездефектное заполнение с малой толщиной медного слоя. Это приводит к дальнейшему увеличению плотности интеграции и более ресурсо-, энерго- и экономичному производству печатных плат HDI. Первая установка у заказчика запланирована на второй квартал 2014 года.
Плотность интеграции может быть увеличена еще больше с помощью так называемых структур без сердечника, которые состоят из очень тонких материалов сердечника. Результаты текущих разработок показывают, что осаждение меди постоянным током в принципе позволяет заполнять сквозные отверстия в этих сердечниках. Поскольку результат заполнения и, следовательно, качество соединения зависят от соотношения сторон сквозных отверстий, реализация надежного бездефектного заполнения с различными соотношениями сторон в настоящее время находится на переднем плане разработок.
